הדפסת תלת-ממד תלת ממדית של פאנטומים להדמיית רקמה ביולוגית
Summary
ציפוי ספין, הדפסה polyjet, מידול הנתיך התמזגו משולבים לייצר פאנטומים הטרוגנית רב שכבתית המדמים תכונות מבניות ופונקציונליות של רקמות ביולוגיות.
Abstract
הדמיה אופטית ביו-רפואית משחקת תפקיד חשוב באבחון וטיפול במחלות שונות. עם זאת, הדיוק והאפשרות המתכלים של מכשיר דימות אופטי מושפעים מאוד ממאפייני הביצועים של רכיביו, סביבת הבדיקה והפעולות. לכן, יש צורך לכייל התקנים אלה על-ידי מעקב אחר תקני פנטום. עם זאת, רוב הפאנטומים הזמינים כרגע הם פאנטומים הומוגניות שלא יכולים לדמות מאפיינים מודאליים ודינמיים של רקמות ביולוגיות. כאן, אנו מראים את הייצור של רקמות הטרוגנית-הדמיית פאנטומים באמצעות קו הייצור שילוב מודול ציפוי ספין, מודול polyjet, מידול המתמזגו תצהיר (FDM) מודול, ו מסגרת בקרה אוטומטית. המידע המבני והפרמטרים האופטיים של “פנטום אופטי דיגיטלי” מוגדרים בקובץ אב-טיפוס, מיובאים לקו הייצור, ומפוברק שכבה-אחר-שכבה עם מתג רציף בין שיטות הדפסה שונות. היכולת הטכנית של קו ייצור כזה היא לידי ביטוי על ידי הדפסה אוטומטית של העור הדמיית פאנטומים המרכיבים את האפידרמיס, dermis, הרקמה התת עורית, וגידול מוטבע.
Introduction
הדמיה אופטית ביו-רפואית מייצגת משפחה של כלי הדמיה רפואית המאתרות מחלות וסטיות רקמות המבוססות על אינטראקציות אור עם רקמה ביולוגית. בהשוואה לאופנים אחרים, כגון דימות תהודה מגנטית (MRI) וטומוגרפיה ממוחשבת (CT), הדמיה אופטית ביו-רפואית לוקחת את היתרון של מדידה לא פולשנית של מאפיינים מבניים, פונקציונליים ומולקולריים, תוך שימוש בעלות נמוכה ומכשירים ניידים1,2,3,4. עם זאת, למרות עליונותה בעלות ובניידות, הדמיה אופטית לא התקבלה באופן נרחב לאבחון קליני והדרכה טיפולית, חלקית בשל היכולת הירודה שלה וחוסר מיפוי כמותי בין פרמטרים אופטיים וביולוגיים. הסיבה העיקרית למגבלה זו היא היעדר תקנים מעקב עבור כיול כמותי ותיקוף של מכשירי דימות אופטיים ביו-רפואיים.
בעבר, מגוון של פאנטומים הדמיית רקמות פותחו עבור מחקר אופטי ביו הדמיה בסוגי רקמות שונים, כגון המוח5,6,7, עור8,9,10,11,12, שלפוחית השתן13, ורקמות השד14,15,16,17. הפאנטומים הללו מיוצרים בעיקר על ידי אחד מתהליכי הייצור הבאים: 1) ציפוי ספין10,18 (להדמיית רקמה הומוגנית ודקה בשכבות); 2) מעצבים19 (להדמיית רקמה מגושם עם תכונות גיאומטריות); 3) הדפסה תלתממדית 20,21,22 (להדמיית רקמה הטרוגנית בעלת שכבות). העור מרוחות המיוצר על ידי דפוס הם מסוגלים לחקות את התכונות האופטיות בצובר של רקמת העור, אך לא יכול לדמות את הטרוגניטים אופטיים לרוחב19. בנטוז ואח ‘ השתמשו בשיטת הדפסה תלת-ממדית של שני ערוצים לחיקוי של מאפיינים אופטיים שונים של רקמות ביולוגיות23. עם זאת, שימוש בשני חומרים לא יכול מספיק לדמות טרוגניות אופטי רקמות ו anisotropy. לוריא ואח ‘ יצרה פנטום שלפוחית השתן עבור טומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT) ו cystoscopy על ידי שילוב 3D הדפסה וציפוי ספין13. עם זאת, תכונות הטרוגנית של הפאנטום, כגון כלי דם, היו צריכים להיות צבועים ביד.
בין תהליכי ייצור הפאנטום לעיל, הדפסה תלת-ממדית מספקת את הגמישות הרבה ביותר להדמיית הטרוגניות הקונסטרוקטיבית והפונקציונלית של הרקמה הביולוגית. עם זאת, סוגים רבים של רקמות ביולוגיות, כגון רקמת העור, מורכבים מרכיבים רב שכבתית ומרובי קנה מידה שלא ניתן לשכפל ביעילות על-ידי תהליך הדפסת תלת-ממד יחיד. לכן, יש צורך בשילוב של תהליכי ייצור מרובים. אנו מציעים קו ייצור הדפסה תלת-ממדית המשלב תהליכי ייצור מרובים לייצור אוטומטי של שכבות מרובות ורקמות רב-שכבתית המדמה כסטנדרט ממעקב לדימות אופטי ביו-רפואי (איור 1). למרות הציפוי ספין, polyjet הדפסה, ו-FDM אוטומטי בתוך קו ייצור הדפסה תלת-ממד שלנו, כל מודאליות שומרת את המאפיינים הפונקציונליים אותו כמו התהליכים הקבועים. לפיכך, נייר זה מספק מנחה כללי להפקת מטוסי פאנטום מרובי שכבות, רב שכבתית והטרוגנית, ללא צורך בשילוב פיזי של תהליכים מרובים במנגנון אחד.
איור 1: דיאגרמת CAD של קו ייצור ההדפסה התלת-ממדית. (א) קו ייצור ההדפסה התלת-ממדית עם המעטפת העליונה הוסר. (ב) הסכמטי של מודול ציפוי הסחרור ומודול היד המכני. (ג) סכימטי של מודול הדפסה polyjet. (ד) הסכמטי של מודול ההדפסה fdm (מנורת UV שייך מודול הדפסה polyjet). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בייצור של פנטום מרובה שכבות, החומר המשמש ציפוי ספין הוא סוג של חומר לריפוי קל במקום PDMS. שכבת הביניים מודפסת עם שיטת ההדפסה polyjet, אשר משתמשת שרף לריפוי באור כמו חומר גלם. למרות שפאנטומים מסוג PDMS דקים יכולים להתבצע על ידי ציפוי ספין לאחר הוספת אלכוהול tert-בוטיל, שכבת PDMS אינה יכולה לאגד ביעילות א…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (גרנט Nos. 11002139 ו-81327803) וקרנות המחקר הבסיסיות של האוניברסיטאות המרכזיות. אנו מודים לזאכרי J. סמית של אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה למתן קריינות קול.
Materials
| 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone | aladdin | H110280-500g | Light initiator http://www.aladdin-e.com/ |
| 3D printing control system | USTC | USTC-3DPrinter_control1.0 | custom-made github: https://github.com/macanzhen/ |
| 3D printing system | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | custom-made |
| AcroRip color | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| All-in-one nozzle slicing script | Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ |
|
| Chinese Red Dye | Juents | Oil-soluble | |
| Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Gel Wax | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | LP | melting point: 56 °C |
| Graphite | aladdin | G103922-100g | Change object optical absorption parameters http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Titanium dioxide | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Triethylene glycol dimethacrylate | aladdin | T101642-250ml | Photocured monomer http://www.aladdin-e.com/ |
| UV ink SLA Photopolymer Resin | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
References
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901 (2014).
- Wang, K., et al. Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system. Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).
- Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue. Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).
- Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).
- Iida, H., et al. Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour. Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).
- Mobashsher, A. T., Abbosh, A. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).
- Li, J. B., et al. A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).
- Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics). , 73760 (2011).
- Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. European Conference on Biomedical Optics. , 80911 (2010).
- Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , 85830 (2013).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003 (2015).
- Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , 932507 (2015).
- Lurie, K. L., Smith, G. T., Khan, S. A., Liao, J. C., Ellerbee, A. K. Three-dimensional, distendable bladder phantom for optical coherence tomography and white light cystoscopy. Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009 (2014).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6 (2012).
- Ansari, M. A., Mohajerani, E. Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).
- Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies. 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).
- Michaelsen, K. E., et al. Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography. Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012 (2014).
- Park, J., et al. Optical tissue phantoms based on spin coating method. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , 93250 (2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578 (2018).
- Luciano, N. J., et al. Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54780 (2016).
- Dong, E., et al. Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging. Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311 (2015).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427 (2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).
- Liu, G., et al. Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology. Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).
